機電系統計算機仿真教學改革

劉宇　別海楠　郝麗娜　戴麗

摘 要 隨著計算機技術的發展和應用，機電系統計算機仿真也成為機電一體化復合型人才的必備知識。本文結合機電系統計算機仿真課程的特點從教師和學生兩方面入手進行改革，設立助課教師協助教學，增強課程的互動性，激發學生的學習熱情，營造一種積極向上的課堂氛圍，達到理想的授課效果。

關鍵詞 機電系統 計算機仿真 教學改革 Simulink

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.04.061

Electromechanical Systems Computer Simulation Teaching Reform

LIU Yu， BIE Hainan， HAO Lina， DAI Li

（School of Mechanical Engineering and Automation， Northeastern University， Shenyang， Liaoning 110819）

Abstract With the development and application of computer technology， electrical and mechanical systems simulation has become a mechatronic complex talent necessary knowledge. In this paper， electrical and mechanical characteristics of the system of computer simulation programs for teachers and students from the two-pronged approach to reform， the establishment of co-teaching class teachers to assist and enhance the interactive curriculum， to stimulate enthusiasm for learning， and create a positive atmosphere in the classroom， to achieve the desired teaching effect.

Key words electromechanical system; computer simulation; teaching reform; Simulink

1 機電系統計算機仿真的課程特點

該課程以高等數學、線性代數等數學知識為基礎，將系統分析的理論性和目的性相結合，從機電系統的建模、控制以及信號的處理等方面進行了介紹，方便學生從數學角度對機電系統有一個全面的認識。但是對機電系統的數學描述是抽象的，學生難以對系統特點有直觀的、深刻的認識，需要對系統進行仿真模擬，而在實際應用中建立物理模型進行仿真是一件費時費力的事情，因此該課程的學習最終還要落實到相應的仿真軟件上。在課程學習的過程中還需要與實例相結合，既要在數學方面對系統有清楚的了解，又要在仿真軟件中對系統運行的過程和結果有一個直觀的認識。對于仿真軟件，美國Mathworks公司開發的MATLAB語言軟件和MDI公司開發的ADAMS軟件是其中的經典。MATLAB具有強大的矩陣運算功能，在MATLAB平臺上開發出來的各種工具箱，和面向結構圖的SIMULINK系統分析環境，在機電系統仿真的控制運算方面提供了有力支撐;而ADAMS可以對機電系統的樣機模型進行靜力學、運動學和動力學仿真，它所建立的模型可以很好地反映實際的物理模型，二者結合可以直接對機電系統的仿真模型添加復雜的控制而不需要使用數學公式建模，而且提高了仿真分析精度。

2 計算機仿真對學生的培養目標

機電系統計算機仿真設計是機械電子工程專業的一門專業技能課，主要是培養學生掌握數學建模，根據系統數學模型建立仿真模型，用計算機仿真控制系統的基本方法，使學生能夠熟練應用仿真技術分析機電系統，為今后從事機電系統的分析、設計打下基礎。要求學生掌握有關的基本理論，初步培養進行系統分析能力，同時注重實踐，掌握MATLAB平臺、SIMULINK、ADAMS等實用建模技術與仿真實驗設計、分析的方法，能夠根據所學對簡單的機電系統進行控制，能夠獨立進行簡單機電系統的設計。

3 教學改革內容

3.1 教師自身的培養

一門課程的講解需要多方面的知識，授課老師不可能面面俱到，必須形成一個教學團隊，由多位老師擔任授課老師，每位老師講解自己擅長的專業領域，以達到合作共贏，相互促進的過程。這種改革方式具有以下幾方面的作用：①有助于教學問題的相互探討。不同老師看待問題的角度是不同的，多位老師共同教學可以從多個角度看待教學問題，大家相互探討有助于發現課程的不足和缺陷。②適應現在高校的發展特點。科研與教學并重的教師可以代課，不耽誤科研任務。③有助于課程的發展，增加新的課程內容。不同的老師授課的側重點不同，比如主講教師把握課程的方向，講解與課程相關的前沿科技;助教老師講解數學建模、理論分析等具體知識;另一位助教老師注重實踐講解仿真軟件的使用等，這樣會減少授課老師的壓力，又能使課程內容豐富、充實，該學科的教學工作得到不斷發展。④學生可以從不同教學風格中獲益。由于老師講解側重點各不相同，有助于學生全方位了解與課程相關的內容，開闊視野、發散思維，提升學生的自主學習能力和創新能力，為學生將來從事相關科研工作打下基礎。

3.2 課程內容的梳理

本課程重要內容有：（1）計算機仿真的基本概念;（2）建模方法——分析法和辨識法。分析方法中最重要的是牛頓三定律方法和拉格朗日法。辨識算法是根據歷史數據進行建模的方法。（3）微分方程的數值解法。微分方程數值解法有歐拉法、改進歐拉法、龍格庫塔法。微分方程數值解是對初值問題進行的，基本思想是離散化和遞推化。在龍格（下轉第182頁）（上接第131頁）庫塔方法中泰勒級數展開和多項式線性組合是工程中非常常用的思想。endprint

3.3 助課老師的作用

隨著國際化的發展，越來越多國外大學的教學方法不斷流入中國。其中美國的凱勒個人化教學體系非常具有參考價值。該教學方法最突出的一點就是引進了助課教師。我們參考該方法也引進了助課教師。在講課過程中，主講教師進行方向的，總體的教學，由助課教師進行細致的教學，并由助課教師負責與學生的日常交流和疑難解答。助課教師多由青年教師擔任，他們具有一定的專業知識水平，而且便于與學生溝通，可以將學生的聽課狀態、疑難點和生活中的各方面與主講教師進行交流討論，進而調整下一步授課方向，對學生普遍有疑問的章節可以進行重復講解以加深學生的理解。但助教老師年輕化會導致授課經驗不足，講課時專業性太強不便于學生的理解。因此助課教師也應該隨堂聽課，不斷向主講教師學習授課經驗，做到把專業的知識用通俗易懂的語言進行講解，提升授課效果。

3.4 學生授課的嘗試

機電系統計算機仿真是一門偏重實踐的課程，而在實際的教學工作中仍以理論教學為主導，缺少實踐教學，學生印象不深刻。其次，機電系統的學習需要機械和電子兩方面的知識，學生水平參差不齊也是難以達到理想授課效果的一個原因。因此我們要嘗試新的教學改革以改善這些狀況。

授課首先就是要激發學生的學習熱情和求知的欲望。機電系統計算機仿真課程知識點繁多，包括機電系統的構成，機電系統的建模，機電系統的控制等多方面內容，各方面內容之間的聯系也不是十分緊密，若不在講解時對知識點進行梳理，勢必會降低學生們的學習熱情。因此在學習前一定要向學生闡明課程為何這樣設置，并用現在已投入實踐應用的例子進行引導，使學生有興趣學、愿意學。

授課過程中注重學生的定位，學生不只是聽課的角色，也可以讓學生參與到教學的過程中，他們樂于參與進來。將課堂時間交給學生能激發學生的責任感，學生為了弄明白所學的內容就會去查閱參考資料、做演示文件等，對于學生整體素質的提高有很大的促進作用。授課班級較多的情況下也可實行按班分組，每兩個班級的課題一致，這樣兩個班級可以相互對照，共同促進補充。

3.5 學生作業的作用

學生作業的作用是為了檢驗學生對于授課知識點的掌握情況。因此除了常規的隨堂作業外應設置大作業，強迫學生參與教學，強調聽課的效果一般，參與的效果更好。學生參與進來可以加深對課程的理解，講解時可以從學生的角度出發，找到授課老師忽略的、學生有不清楚的地方，令其他學生也受益。

3.6 考試形式的改革

評分標準改變以往以考試為主的評分方式，強調參與的重要性，對于參與較好的學生給予鼓勵。要結合大作業，平時參與度和期末考試進行考核，采用老師評價與學生自評相結合，力求客觀公正的對學生的掌握程度進行評價。

4 結束語

綜上所述，機電系統計算機仿真課程是一門偏重實踐的課程，傳統的理論教學難以達到理想的授課效果。課程的改革改變以往學生只是聽課的狀態，讓學生參與到授課的過程中，激發學生的學習熱情，提升學生的創造性，在加深對課程的理解過程中不斷豐富課程內容;同時設立助課教師從理論到實踐應用，對課程進行全方位講解，同時加深與學生的交流，由老師和學生一起共同完善機電系統計算機仿真這門課程。

參考文獻

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